2) LOS ÁCIDOS NUCLEICOS CONCEPTO Químicamente, los

III) La información celular
2) Ácidos nucleicos
2) LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
CONCEPTO
Químicamente, los ácidos nucleicos son
políme ros constituidos por la unión mediante
enlaces químicos de unidades menores
llamadas nucleótidos. Los ácidos nucleicos
son compuestos de elevado peso molecular,
esto es, son macromoléculas.
Fig. 1
Pirimidina.
FUNCIONES GENERALES
Los ácidos nucleicos, llamados así porque
en un principio fueron localizados en el
núcleo celular, son las moléculas de la
herencia y por lo tanto van a participar en
los mecanismos mediante los cuales la
información genética se almacena, replica y
transcribe. Ésta no va a ser su única
Fig. 2 Purina.
función. Determinados derivados de estas
sustancias: los nucleótidos, van a tener
otras funciones biológicas, entre las que pueden destacarse, como ejemplo, la de
servir de intermediarios en las transferencias de energía en las células (ATP, ADP y
otros) o en las transferencias de electrones (NAD+ , NADP+ , FAD, etc.).
LOS NUCLEÓTIDOS: COMPONENTES
Los nucleótidos están formados por: una
base nitrogenada (BN), un azúcar (A) y
ácido fosfórico (P); unidos en el siguiente
orden: PABN
Adenina
LAS BASES NITROGENADAS
Son sustancias derivadas de dos compuestos quími cos: la purina y la pirimidina. Las
que derivan de la purina son las bases púricas. En los nucleótidos vamos a encontrar,
normalmente, dos base púricas: la adenina
(A) y la guanina (G). Las que derivan de la
pirimidina se llaman pirimidí nicas. Tres son
las bases pirimidí nicas presentes en los
ácidos nucleicos: la citosina (C), la timina
(T) y el uracilo (U).
J. L. Sánchez Guillén
Guanina
Fig. 3
Bases púricas.
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2) Ácidos nucleicos
En ciertos casos, aunque esto pasa muy raramente, pueden encontrarse en los
ácidos nucleicos otras bases diferentes de estas cinco, por lo general derivados
metilados de ellas.
Fig. 4
Citosina.
Fig. 5
Fig. 6
Timina.
Uracilo.
EL AZÚCAR (GLÚCIDO)
El azúcar que interviene en los nucleótidos
puede ser o la ribosa (R) o la desoxirribosa
(dR). Ambas son aldopentosas y las
encontraremos en los nucleótidos como ßfuranosas.
Ribosa
Conviene destacar que la única diferencia
entre ambas está en que en el carbono 2 de
la desoxirribosa hay un hidrógeno (-H) en
lugar del grupo alcohol (-OH).
LOS NUCLEÓSIDOS
El azúcar y la base nitrogenada se unen
entre sí como se indica en las figuras
formando un nucleósido. El enlace se forma
entre el carbono anomérico del azúcar y uno
de los nitrógenos de la base nitrogenada, en
concreto, el indicado en las figuras. En la
unión se forma una molécula de agua. Este
enlace recibe el nombre de enlace Nglicosídico.
Desoxirribosa
Fig. 7
La ribosa y la desoxirribosa.
Fig. 8
Nucleósido pirimidínico.
ESTRUCTURA DE LOS NUCLEÓTIDOS
Los nucleótidos son los monómeros que
constituyen los ácidos nucleicos. Se forman
cuando se unen el ácido fosfórico y un
nucleósido. Es una unión fosfoéster entre un
OH del ácido fosfórico y el OH situado en el
carbono 5 del azúcar, con formación de una
molécula de agua. Según el azúcar sea la
J. L. Sánchez Guillén
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ribosa o la desoxirribosa, tendremos ribonucleótidos o desoxirribonucleótidos. La
timina nunca forma parte de los ribonucleótidos y el uracilo no forma parte de los
desoxirribonucleótidos.
NUCLEÓTIDOS O DERIVADOS DE
NUCLEÓTIDOS DE INTERÉS BIOLÓGICO.
Algunos nucleótidos cumplen funciones por
sí mismos. Así, por ejemplo:
a) Nucleótidos que intervienen en las
transferencias de energía : Se trata de
moléculas que captan o desprenden energía
al transformarse unas en otras. Así, el ATP
desprende energía cuando se hidroliza,
transformándose en ADP y fosfato inorgánico (Pi). Por el contrario, el ADP almacena
energía cuando reacciona con el fosfato
inorgánico y se transforma en ATP y agua.
De esta forma se transporta energía (unas 7
kilocalorías por mol de ADP/ATP) de
aquellas reacciones en las que se desprende
(exergónicas) a aquellas en las que se
necesita (endergónicas).
Fig. 9 Nucleótido. Las flechas indican los
enlaces fosfoéster (roja) y N-glicosídico (verde).
Ejemplos de nucleótidos transportadores de energía:
-
AMP (adenosina-5'-monofosfato) A-R-P
ADP (adenosina-5'-difosfato)
A-R-P-P
ATP (adenosina-5'-trifosfato) A-R-P-P-P
GDP (guanosidina-5'-difosfato) G-R-P-P
GTP (guanosidina-5'-trifosfato) G-R-P-P-P
b) Nucleótidos que intervienen en los procesos de óxido-reducción. Estas moléculas
captan electrones de moléculas a las que oxidan y los ceden a otras moléculas a las
que a su vez reducen. Así, el NAD + puede captar 2e - transformándose en su forma
reducida, el NADH, y éste puede ceder dos electrones a otras sustancias,
reduciéndolas y volviendo a transformarse en su forma oxidada, el NAD + . Así, se
transportan electrones de aquellas reacciones en las que se desprende a aquellas en
las que se necesitan.
Ejemplos de nucleótidos transportadores de electrones:
- NAD+ /NADH (Nicotinamida-adenina-dinucleótido) oxidado y reducido, respectivamente.
- NADP+ /NADPH (Nicotinamida-adenina-dinucleótido-fosfato), oxidado y
reducido.
- FAD/FADH2 (Flavina-adenina-dinucleótido), oxidado y reducido.
J. L. Sánchez Guillén
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c) Nucleótidos reguladores de procesos metabólicos. Algunos nucleótidos cumplen
funciones especiales como reguladores de procesos metabólicos, por ejemplo el AMPc
(adenosina-3',5'- monofosfato) o AMP cícli co, en el que dos OH del fosfato esterifican
los OH en posiciones 3 y 5 de la ribosa formando un ciclo. Este compuesto químico
actúa en las células como intermediario de muchas hormonas.
LOS POLINUCLEÓTIDOS
Dos nucleótidos van a poder unirse entre
sí
mediante
un
enlace
ésterfosfato
(fosfoéster). Este enlace se forma entre un
OH del ácido fosfórico de un nucleótido y el
OH (hidroxilo) del carbono número 3 del
azúcar del otro nucleótido con formación de
una molécula de agua. La unión de otros
nucleótidos dará lugar a un polinucleótido.
Es de destacar que en toda cadena de
polinucleótidos el nucleótido de uno de los
extremos tendrá libre el OH del azúcar en
posición 3, éste será el extremo 3' de la
cadena. El ácido fosfórico del nucleótido que
se encuentre en el extremo opuesto también
estará libre, éste será el extremo 5'. Esto
marca un sentido en la cadena de polinucleótidos. Toda cadena podrá considerarse
bien en sentido 3' 5' o en sentido 5' 3' y
así habrá que indicarlo.
5’
3’
Fig. 10
5’
ADN Y ARN:
QUÍMICO
DIFERENCIAS
A
P
NIVEL
- El ADN (ácido desoxirribonucleico) sus
nucleótidos tienen desoxirribosa como azúcar
y no tiene uracilo.
- El ARN (ácido ribonucleico) tiene ribosa y
no tiene timina.
Dinucleótido.
dR
A
P
dR
G
P
dR
C
P
dR
T
P
dR
G
P
dR
3’
A
Fig. 11
tídica.
Ejemplo de cadena polinucleo-
Fig. 12
Modelo de la estructura del ADN.
EL ADN (DNA)
Concepto: Químicamente son polinucleótidos
constituidos por d-AMP, d-GMP, d-CMP y dTMP. Los nucleótidos del ADN no tienen ni
uracilo, ni ribosa, como ya se ha dicho.
Características: Los ADN celulares tienen
una elevada masa molecular, muchos
millones de daltons. Así, por ejemplo: el
genoma humano está formado por 3x10 9
J. L. Sánchez Guillén
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pares de nucleótidos. Esto hace que sean
moléculas de una gran longitud; por ejemplo:
1,7 m en el caso del virus de la poliomielitis y 2,36 m si sumamos todo el ADN de
todos los cromosomas de una célula humana.
El ADN fue aislado por primera vez en
1869, pero hasta 1950 no se empezó a
conocer su estructura. Se encuentra en el
núcleo de las células eucariotas asociado a
proteí nas (histonas y otras) formando la
cromatina, sustancia que constitu ye los
cromosomas y a partir de la cual se
transcribe la información genética. También
hay ADN en ciertos orgánulos celulares (por
ejemplo: plastos y mitocondrias).
ESTRUCTURA DEL ADN
Fig. 13
T
J. Watson y F. Crick.
A
Se pueden distinguir 3 niveles estructurales:
-Estructura primaria: La secuencia de los
nucleótidos.
-Estructura secundaria: La doble hélice.
-Estructura
terciaria:
Collar de perlas,
estructura cristalina, ADN superenrollado.
En las células eucariotas, a partir de la
estructura 30, se dan otros niveles de
empaquetamiento de orden superior.
C
G
Fig. 14 Puentes de hidrógeno (.....) entre
bases complementarias en el ADN.
ESTRUCTURA PRIMARIA DEL ADN.
Es la secuencia de nucleótidos de una
cadena o hebra. Es decir, la estructura
primaria del ADN viene determinada por el
orden de los nucleótidos en la hebra o
cadena de la molécula. Para indicar la
secuencia de una cadena de ADN es
suficiente con los nombres de las bases o
su inicial (A, T, C, G) en su orden correcto
y los extremos
5' y 3' de la cadena
nucleotídica.
Así, por ejemplo:
5'ACGTTTAACGACAAGGACAAGTATTAA3'
La posibilidad de combinar cuatro nucleótidos diferentes y la gran longitud que
Fig. 15 Modelo de la estructura
pueden tener las cadenas polinucleotídicas,
secundaria del ADN.
hacen que pueda haber un elevado número
de polinucleótidos posibles, lo que determina que el ADN pueda contener el mensaje
biológico o información genética y explica la diversidad del mensaje genético de todos
los seres vivos.
J. L. Sánchez Guillén
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ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL ADN.
Datos preliminares:
A) A finales de los años 40 Erwin
CHARGAFF y sus colaboradores estudiaron
los componentes del ADN y emitieron los
siguientes resultados:
La concentración de bases varía de una
especie a otra. El porcentaje de A, G, C y T
es el mismo en los individuos de la misma
especie y no por esto el mensaje es el
mismo.
Fig. 16
Doble hélice del ADN.
Tejidos diferentes de la misma especie tienen la misma composición en bases.
La composición en bases del ADN de una misma especie no varía con la edad del
organismo ni con su estado nutricional ni con las variaciones ambientales.
Las densidades y viscosidades corresponden a la existencia de enlaces de hidrógeno
entre los grupos NH y los grupos CO.
La concentración de Adenina es igual a la de Timina, y la de Citosina a la de
Guanina. Las dos primeras establecen dos puentes de hidrógeno entre ellas, y las
últimas tres puentes. La cantidad de purinas es igual a la cantidad de pirimidinas.
B) Por medio del método analítico de difracción de rayos X, FRANKLIN y WILKINS
observaron una estructura fibrilar de 20 Å (Amstrongs) de diámetro con repeticiones
cada 3,4 Å y una mayor cada 34 Å.
C) WATSON y CRICK postularon en 1953 un modelo tridimensional para la estructura
del ADN que estaba de acuerdo con todos los datos disponibles anteriores: el modelo
de doble hélice. Este modelo, además de explicar cómo era el ADN, sugería los
mecanismos que explicaban su función biológica y la forma como se replicaba.
Según el modelo de la doble hélice de
WATSON y CRICK:
11) El ADN estaría constituido por dos
cadenas o hebras de polinucleótidos enrolladas helicoidalmente en sentido dextrógiro
sobre un mismo eje formando una doble
hélice.
21) Ambas cadenas serían antiparalelas, una
iría en sentido 3' 5' y la otra en sentido
inverso, 5' 3'.
31) Los grupos fosfato estarían hacia el
J. L. Sánchez Guillén
Fig. 17
Doble hélice del ADN.
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III) La información celular
2) Ácidos nucleicos
exterior y de este modo sus cargas
negativas interaccionarían con los cationes
presentes en el nucleoplasma dando más
estabilidad a la molécula.
41) Las bases nitrogenadas estarían hacia el
interior de la hélice con sus planos paralelos
entre sí y las bases de cada una de las hélices estarían apareadas con las de la otra
asociándose mediante puentes de hidrógeno.
51) El apareamiento se realizaría únicamente
entre la adenina y la timina, por una parte,
Fig. 18 Replicación del ADN.
y la guanina Y la citosina, por la otra1 . Por
lo tanto, la estructura primaria de una
cadena estaría determinada por la de la otra, ambas cadenas serían complementarias.
T
C
G
A
T
C
G
G
G
A
G
C
T
A
G
C
C
C
C
T
A
T
A
G
C
“primer”
T
T
C
G
A
T
C
G
G
T
A
G
C
T
A
G
C
C
A
C
A
C
G
A
T
C
G
G
G
A
G
C
T
A
G
C
C
C
A
U
T
T
C
G
“primer”
A
La complementariedad de las cadenas sugiere el mecanismo por el cual el ADN se
copia -se replica- para ser trasferido a las células hijas. Ambas cadenas o hebras se
pueden separar parcialmente y servir de molde para la síntesis de una nueva cadena
complementaria (síntesis semiconservativa).
Si una disolución de ADN se calienta
suficientemente ambas cadenas se separan,
pues se rompen los enlaces de hidrógeno
que unen las bases, y el ADN se
desnaturaliza.
La
temperatura
de
desnaturalización depende de la proporción
de bases. A mayor proporción de C-G,
mayor temperatura de desnaturalización,
pues la citosina y la guanina establecen tres
puentes de hidrógeno, mientras que la
adenina y la timina sólo dos y, por lo tanto,
a mayor proporción de C-G, más puentes de
hidrógeno
unirán
ambas
cadenas.
La
desnaturalización
se
produce
también
variando el pH o a concentraciones salinas
elevadas. Si se restablecen las condiciones,
el ADN se renaturaliza y ambas cadenas se
unen de nuevo.
% del par C-G en la muestra
PROPIEDADES DE LA ESTRUCTURA SECUNDARIA DEL ADN: DESNATURALIZACIÓN
Temperatura en ºC
Fig. 19 Temperatura de desnaturalización
del ADN en función del tanto por ciento de
citosina-guanina.
ESTRUCTURA TERCIARIA DEL ADN EN LAS CÉLULAS EUCARIOTAS.
Las grandes moléculas de ADN de las células eucariotas están muy empaquetadas ocupando así menos espacio en el núcleo celular y además como mecanismo para
preservar su transcripción.
Como hemos visto, en las células eucariotas el ADN se encuentra en el núcleo
1
El par A-G no puede formarse por ser ambas bases demasiado grandes, y el par C-T por estar a demasiada
distancia.
J. L. Sánchez Guillén
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III) La información celular
2) Ácidos nucleicos
asociado a ciertas proteínas:
nucleoproteínas, formando la cromatina. En la cromatina, la doble hélice de ADN se enrolla
alrededor de unas moléculas proteicas globulares, las histonas, formando los nucleosomas. Cada nucleosoma contiene 8 histonas
y la doble hélice de ADN da dos vueltas a
su alrededor (200 pares de bases). El conjunto, si no está más empaquetado aún,
forma una estructura arrosariada llamada
collar de perlas. Ahora bien, los nucleosomas pueden empaquetarse formando fibras
de un grosor de 30 nm (fibra de 30 nm).
Según el modelo del solenoide las fibras se
forman al enrollarse seis nucleosomas por
vuelta alrededor de un eje formado por las
histonas H1.
nucleosoma
ADN
espaciador
Fig. 20
perlas.
Los siguientes niveles de empaquetamiento
no están aún aclarados del todo pero,
parece ser, que cada fibra se volvería a
enrollar formando un bucle (cada bucle
tendría 50 millones de pares de bases), seis
bucles se empaquetarían asociándose a un
" esqueleto
nuclear"
produciéndose
un
rosetón, 30 rosetones formarían una espiral
y 20 espirales formarían una cromátida.
Todo ello produciría un gran acortamiento
de las largas cadenas de ADN.
En los espermatozoides el ADN se encuentra aún mucho más empaquetado, se dice
que tiene " estructura cristalina".
Fibra nucleosómica en collar de
Histona H1
ADN
Núcleo de
histonas del
nucleosoma
Fig. 21
NIVELES SUPERIORES DE
EMPAQUETAMIENTO
Histona H1
Nucleosoma.
Fig. 22 Empaquetamiento de los
nucleosomas formando una fibra de 30nm,
según el modelo del solenoide.
Los ADN de las bacterias, virus, mitocondrias y plastos no presentan estructuras tan
complejas y no están asociados a histonas,
aunque sí
están asociados a otras
proteínas.
TIPOS DE ADN
Según su estructura se
siguientes tipos de ADN:
distinguen
los
- Monocatenarios o de una cadena; por
ejemplo los de algunos virus.
- Bicatenarios, con dos hebras o cadenas
(algunos
virus,
las
bacterias
y
los
eucariotas).
J. L. Sánchez Guillén
Fig. 23 Cromosomas de una célula en
división. Cada cromosoma tiene dos
cromátidas. En los cromosomas el ADN está
fuertemente empaquetado y asociado a
proteínas.
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III) La información celular
2) Ácidos nucleicos
A su vez, y en ambos casos, el ADN puede ser:
- Lineal, como por ejemplo el del núcleo de las células eucariotas y el de algunos
virus.
- Circular, como el de las mitocondrias, cloroplastos, bacterias y algunos virus.
EL ARN (RNA). DIFERENCIAS CON EL ADN
El ARN, ácido ribonucleico, es un polirribonucleótido que, a diferencia del ADN, no
contiene ni desoxirribosa ni timina, pero sí ribosa y uracilo. El ARN no forma dobles
cadenas, salvo en ciertos virus (por ej. los reovirus). Lo que no quita que su estructura espacial pueda ser en ciertos casos muy compleja.
CLASES DE ARN
Por su estructura y su función se distinguen tres clases de ARN:
- El ARNm (ARN mensajero) es un polirribonucleótido constituido por una única
cadena sin ninguna estructura de orden
superior. Su masa molecular suele ser
elevada. Este ARN se sinteti za en el núcleo
celular y pasa al citoplasma transportando la
información para la síntesis de proteí nas.
La duración de los ARNm en el citoplasma
celular es de escasos minutos siendo degradados rápidamente por enzimas especí ficas.
- El ARNt (ARN de transferencia) transporta
los aminoácidos para la síntesis de
proteínas. Está formado por una sola
cadena, aunque en ciertas zonas se encuentra replegada y asociada internamente
mediante puentes de hidrógeno entre bases
Fig. 24 ARNt. La línea es la cadena de
complementarias. Su peso molecular es del
polinucleótidos y los rectángulos las bases o
orden de 25.000 da. Está formado por entre
los pares de bases. 1) brazo aceptor de ami70 y 90 nucleótidos y constituye el 15 %
noácidos; 2) bucle anticodon.
del total del ARN de la célula. Se sintetiza
en el núcleo y sale hacia el citoplasma para
realizar su función. En el ARNt podemos distinguir un brazo aceptor de aminoácidos
abierto y un bucle anticodon.
–
–
El ARNr (ARN ribosomal) es el ARN de los ribosomas, cuya función es poco
conocida.
Los ARN víricos. Algunos virus tienen como material genético ARN bicatenario.
J. L. Sánchez Guillén
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III) La información celular
2) Ácidos nucleicos
ESTRUCTURAS TERCIARIA Y SUPERIOR DEL ADN (SUPERENROLLAMIENTO)
Dos cromátidas 2x10
vueltas de espiral
1 vuelta de espiral
(30 rosetones)
1 rosetón (6 bucles)
1 bucle
Fibra de 30 nm
Collar de perlas
(nucleosoma)
ADN
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